热处理状态对GH4698 合金盘件组织和蠕变性能影响研究

刘丽玉，曹 江，尹湘荣，赵宇新，李 影，3，曾维虎

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095;3.中航工业失效分析中心，北京 100095;4.中国人民解放军驻420 厂军事代表室，成都 610503;5.四川成发航空科技股份有限公司，成都610503)

0 引言

GH4698 合金是一种沉淀强化型镍基高温合金，在500～800 ℃范围内具有高的持久强度和良好的综合性能，已广泛用于制造750 ℃以下使用的航空发动机高压、低压涡轮盘和导流盘等重要的核心转动部件［1-2］。这些零件旋转运动产生的离心应力是其所受的主要载荷形式，且大都在高温下长期使用，要求合金在长期高温使用中保持组织稳定，因此合金的长时性能指标尤其是蠕变性能是盘件材料性能考核的重要指标，直接影响发动机的安全可靠性［3-5］。

镍基高温合金γ'相为主要的强化相，其形状、尺寸、含量及分布等对其力学性能都有重要的影响［6-7］，此外，GH4698 合金中碳化物数量、形貌和分布对合金性能有显著的作用［8］。合金进行合理的热处理可以获得最佳的组织形貌，从而改善合金的性能。GH4698 合金与俄罗斯的ЭИ698合金相似，国外对于类似合金通常采用两种热处理制度(I:1 100～1 120 ℃，8 h，空冷+1 000 ℃，4 h，空冷+775 ℃，16 h，空冷+700 ℃，16 h，空冷;II:1 100～1 120 ℃，8 h，空冷+1 000 ℃，4 h，空冷+775 ℃，16 h，空冷)，并给出了室温拉伸和持久性能技术指标，但没有蠕变性能指标。国内关于GH4698 盘件的性能指标大多参考国外标准，而对于蠕变性能指标制定往往参考《航空材料手册》三段热处理的90 mm 方坯，由于90 mm 方坯料和盘锻件的变形条件不同，其组织和性能有一定的差别。一般来说，90 mm 方坯料的力学性能会高于盘锻件。本研究通过对国内发动机用GH4698合金盘制件在三段热处理和四段热处理状态下组织、650 ℃和750 ℃的塑性变形蠕变应力-寿命曲线以及750 ℃下全阶段蠕变行为进行研究，获得不同热处理状态下GH4698 合金的盘件的微观组织和蠕变性能。

1 试验

采用的试验用料为GH4698 合金模锻盘坯件，锻制工艺流程如下:下料(φ250 mm×228 mm)→墩饼(加热温度为1 130 ℃，1 火)→模锻(加热温度为1 120 ℃，1 火)→热处理(1 120 ℃×8 h/空冷+1 000 ℃×4 h/空冷+775 ℃×16 h/空冷)。分别按标准中规定的三段(1 100～1 120 ℃，8 h，空冷+1 000 ℃，4 h，空冷+775 ℃，16 h，空冷)和四段热处理制度(1 100～1 120 ℃，8 h，空冷+1 000 ℃，4 h，空冷+775 ℃，16 h，空冷+700 ℃，16 h，空冷)进行处理后，从盘锻件上弦向取样。

显微组织观察在轮缘上取样，制备金相试样，腐蚀后在CS3100 扫描电镜下进行观察;蠕变性能试样取自涡轮盘轮缘部位，弦向切取，并按M2504-N020 加工试样，其中，试样标距段尺寸为φ8 mm×50 mm，试样的具体尺寸见图1。

图1 蠕变试样形状示意图Fig.1 Schematic diagram of creep specimen

2 试验结果及讨论

2.1 热处理状态对GH4698 微观组织的影响

扫描电镜下分析了三段和四段热处理状态下晶内γ'相和晶界二次碳化物的分布和形貌。三段和四段热处理的盘件基体均为两种尺寸的γ'相，呈球形，弥散分布于晶内，大尺寸γ'相是在1 000 ℃二次固溶处理时析出并长大的，细小γ'相是在775 ℃时效过程中析出的，γ'相析出温度约为700～800 ℃。晶粒晶界边缘存在较宽的γ'相贫化区，晶界上主要析出颗粒状M23C6碳化物和少量M5B4 硼化物。三段和四段热处理状态大尺寸γ'相无明显变化，但四段热处理下组织晶内小尺寸的γ'相尺寸有所增大，晶界γ'相贫化区的宽度明显减小(图2、图3)。此外，对比图2b、图3b还可知，三段和四段热处理状态下的晶界碳化物有所区别，三段热处理状态下晶界上的碳化物析出不完善，一些部位没有碳化物析出，而经四段热处理后晶界上的碳化物析出更加完善。

2.2 热处理制度对GH4698 蠕变极限的影响

盘件进行三段热处理后在650 ℃和750 ℃蠕变应力和寿命曲线见图4，通过曲线拟合计算获得蠕变极限结果见表1。从图4 和表1 结果可知，虽然650 ℃和750 ℃蠕变强度极限均达到了《中国航空材料手册》关于GH4698 合金90 mm 方坯模锻件标准热处理状态的蠕变强度(650 ℃下σ0.2/100=382 MPa，750 ℃下σ0.2/100=647 MPa)，但0.1%和0.2%塑性应变蠕变方程的相关系数较低，说明盘件三段热处理的蠕变性能数据较分散，数据波动大，组织稳定性不高。

图2 三段热处理下GH4698 合金显微组织Fig.2 Microstructure of GH4698 alloy after three stage heat treatment

图3 四段热处理下GH4698 合金显微组织Fig.3 Microstructure of GH4698 alloy after four stage heat treatment

图4 GH4698 合金盘三段热处理状态的蠕变应力-寿命曲线Fig.4 Creep stress-life curves of GH4698 alloy plate after three stage heat treatment

表1 GH4698 合金三段热处理状态不同温度的蠕变极限Table 1 Creep limit of GH4698 alloy after three stage heat treatment state at different temperature

图5 GH4698 合金盘四段热处理状态的蠕变应力-寿命曲线Fig.5 Creep stress-life curves of GH4698 alloy plate after four stage heat treatment

盘件取样四段热处理后650 ℃和750 ℃蠕变应力和寿命曲线见图5，蠕变极限结果见表2。从图4 和表1 结果可知，盘件四段热处理状态下650 ℃下100 h 和500 h 的0.1%和0.2%蠕变极限稍低于三段热处理，但750 ℃下100 h 和500 h的0.1%和0.2%蠕变极限要高于三段热处理，较手册蠕变极限数据提高16 MPa，Pearson 认为γ'相的粗化增加了高温蠕变抗力［9］，四段热处理状态下晶内小γ'相尺寸增大对提高中高温下的蠕变性能有利。此外四段热处理的0.1%和0.2%塑性应变蠕变方程的相关系数很高，说明四段热处理状态下的蠕变性能数据波动小，可能与四段热处理状态下晶界碳化物均匀性好，组织稳定性好有关。

表2 GH4698 合金导流盘四段热处理状态不同温度的蠕变极限Table 2 The creep of GH4698 alloy after four section heat treatment state at different temperatures

2.3 GH4698 合金750 ℃下的全阶段蠕变行为及蠕变性能技术条件分析

三段热处理状态下，以750 ℃/420 MPa 条件下GH4698 合金盘的全蠕变行为为例，其全蠕变曲线见图6。从图6 看出，在750 ℃C/420 MPa 条件下，三段热处理状态的GH4698 合金其蠕变行为分3 个阶段:1)蠕变第一阶段即蠕变初始阶段。这一阶段合金内的孪晶参与变形，图中表明这一阶段经历的时间约0～2 h，说明合金在很短的时间内就发生了较大的蠕变变形;2)蠕变第二阶段即稳态蠕变阶段。时间约2～55 h，GH4698合金在稳态蠕变期间的蠕变速率较低，该阶段合金晶内的位错发生滑移，与晶内'相发生交互作用，起到提高蠕变性能的作用;3)蠕变第三阶段。这个阶段蠕变速率明显提高，该阶段合金的晶界、晶内都会参与变形，很快达到0.2%蠕变变形，断裂时间为155 h。

GH4698 750 ℃下的全阶段蠕变曲线可知，GH4698 合金的在750 ℃稳态蠕变阶段较短。稳态蠕变阶段越短，锻件工艺、微观组织、晶粒度等不均匀就越容易造成蠕变性能出现很大的波动。将国外类似合金的涡轮盘相应位置取样的蠕变性能与国产盘(相同工艺下的三批盘取样)进行对比，结果见表3。由表3 可知，无论国外类似合金盘件还是国产GH4698 盘件，其数据波动性均很大，对于国产GH4698 涡轮盘，即便相同锻造和热处理工艺，不同批次盘件的蠕变性能差异也较大，此外，国产涡轮盘750 ℃/382 MPa 蠕变性能总体高于国外盘件。基于以上研究，对于GH4698 模锻盘件蠕变性能检验标准需要参考2 个方面:一方面，航空材料手册规定，GH4698 材料蠕变强度有4 个条件可选(750 ℃/382 MPa、700 ℃/412 MPa、650 ℃/647 MPa、600 ℃/706 MPa，且均针对90 mm 方坯状态下，一般情况下，90 mm 方坯料的力学性能会高于盘锻件;另一方面，750 ℃下的全蠕变曲线以及表3 数据表明，750 ℃下稳态蠕变阶段短，在此试验条件下试样加工、温度控制以及组织的微小变化对蠕变性能非常敏感。对于该机型选用750 ℃/382 MPa 作为验收指标不能真实反应盘锻件的蠕变性能。选择700 ℃/412 MPa 下进行蠕变考核，国外涡轮盘和国产涡轮盘蠕变性能均能满足700 ℃/412 MPa/100 h 蠕变后的残余应变为0.2%，且相比下，国产涡轮盘蠕变性变性能均能满足700 ℃/412 MPa/100 h 蠕变后的残余应变为0.2%，且相比下，国产涡轮盘蠕变性能仍好于俄盘，对于此型机GH4698 模锻盘件采用700℃/412 MPa/100 h 蠕变残余应变≤0.2%的技术指标较为合理。

图6 GH4698 合金导流盘三段热处理750 ℃/420 MPa条件下的全蠕变曲线Fig.6 Complete creep curve at 750 ℃/420 MPa of GH4698 alloy guide plate after three stage heat treatment

表3 不同工艺下的国产盘件和国外类似合金盘件在750 ℃/382 MPa/100 h 下蠕变残余变形量对比Table 3 Creep residua deformation amount of domestic and Russian discs at 750 ℃/382 MPa/100 h

3 结论

1)GH4698 盘件三段热处理下的显微组织由γ'相和碳化物组成，晶内球状γ'相有大小两种尺寸，晶界有颗粒状碳化物析出，晶内分布块状一次碳化物，晶界上存在γ'相贫化区。增加第四段热处理后，显微组织有所变化，晶内小γ'相尺寸有所增加，晶界γ'相贫化区的宽度明显减小，晶界颗粒状碳化物析出更加完善。

2)盘件三段热处理的650 ℃0.1%和0.2%的蠕变极限高于四段热处理，而四段热处理的750 ℃0.1%和0.2%的蠕变极限高于三段热处理。四段热处理对提高750 ℃蠕变极限有利，且组织均匀性较好。

3)对于此型机GH4698 涡轮盘，750 ℃/382 MPa 下，盘锻件的显微组织和晶粒度的不均匀会造成蠕变性能较大波动，合理的蠕变性能验收条件应为700 ℃/412 MPa/100 h 下残余应变≤0.2%。

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